Soluciones Serie 5. Haluros de alquilo.pdf

QUIMICA ORGANICA I Grupo C Curso 2013-14

Inmaculada Robina

Elena Díez Dpto. Química Orgánica

Soluciones Serie 5. HALUROS DE ALQUILO. REACCIONES DE

SUSTITUCIÓN NUCLEÓFILA Y DE ELIMINACIÓN

1. Ordene los siguientes carbocationes en orden creciente de estabilidad: metilo, alilo, propilo, terc-

butilo, bencilo, isopropilo. Justifique la respuesta.

t-Butilo > isopropilo > bencilo alilo > propilo > metilo

2.- Clasifique razonadamente las siguientes especies como nucleófilos o electrófilos:

(a) HO-, (b) CN-, (c) Br+, (d) H2O, (e) AlCl3, (f) NH3, (g) Ag+, (h) H3C+ (carbocatión), (i) H2C:

(carbeno), (j) I-.

Nucleófilos: (a) HO-, (b) CN-, (d) H2O, (f) NH3, (j) I-

Electrófilos: (c) Br+, (e) AlCl3, (g) Ag+, (h) H3C+, (i) H2C: (carbeno).

3.- De las siguientes parejas de reactivos, indique razonadamente cuál sería mejor nucleófilo:

(a) Cl-/I-; (b) CH3S-/CH3O

-; (c) H2O, HO-; (d) CH3O-/F-; (e) H2O/HF; (f) NH3/NH4

+

(a) Cl-/I-: El I- es mejor nucleófilo que el Cl- puesto que tiene un volumen mayor y es más

polarizable. La nucleofilia aumenta al ir hacia abajo en el sistema periódico: I- > Br- > Cl- > F-

(b) CH3S-/CH3O

-: mejor nucleófilo CH3S- ya que el S es menos electronegativo que el O y más

voluminoso por lo que es más polarizable.

(c) H2O, HO-: mejor nucleófilo HO- porque la especie con carga negativa neta es la más reactiva.

(d) CH3O-/F-: mejor nucleófilo CH3O

- porque el O es menos electronegativo que el F.

(e) H2O/HF: mejor nucleófilo H2O porque el O es menos electronegativo que el F.

(f) NH3/NH4+: mejor nucleófilo NH3 (el NH4

+ no es nucleófilo).


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4.- De las siguientes parejas de haluros de alquilo, indique aquel que reaccionará más rápidamente

mediante un mecanismo SN2 frente a un mismo nucleófilo. Justifique la respuesta.

El 1-bromopropano reaccionará antes pues al estar menos ramificado está menos impedido

estéricamente. De hecho, los haluros de alquilo terciarios no dan reacciones de sustitución

nucleófila bimoleculares, la reacción iría siguiendo un mecanismo SN1.

En una reacción de sustitución nucleofílica, cuanto mejor sea el grupo saliente, mejor se dará la

reacción. Un grupo es mejor grupo saliente cuanto menos básico es, es decir, cuanto más fuerte

sea su ácido conjugado. Las bases débiles aceptan mejor los electrones, y por tanto son mejores

grupos salientes. En este caso, el HI es un ácido más fuerte que el HCl y por tanto su base

conjugada, I- es más débil y mejor grupo saliente, por ello la SN2 es más rápida con el yoduro de n-

butilo.

El 1-cloropropano puesto que se encuentra menos impedido estéricamente.

El 1-cloro-3-metilbutano es más reactivo que el 1-cloro-2-metilbutano ya que el primero presenta

menor impedimento estérico al ataque del nucleófilo.


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5.- Prediga si la velocidad de la reacción de sustitución, que se indica a continuación, aumentará o

disminuirá, al efectuar cada uno de los cambios que se proponen en los apartados a, b, c y d.

Explique brevemente su elección.

La reacción sigue un mecanismo SN2.

a) Cambio del sustrato CH3-Cl por CH3-I: aumenta la velocidad (mejor grupo saliente). La velocidad

de reacción de sustitución aumentará ya que el yoduro es una base más débil y por tanto mejor

grupo saliente.

b) Cambio del nucleófilo NaOCH3 por NaSCH3: aumenta la velocidad (mejor nucleófilo). La

velocidad de reacción aumentará puesto que al ser el S menos electronegativo y más polarizable

que el O, es mejor nucleófilo.

c) Cambio del sustrato CH3-Cl por (CH3)2CH-Cl: disminuye la velocidad (sustrato más impedido). La

velocidad disminuirá puesto que está más impedido estéricamente, está más ramificado y la SN2

transcurrirá a menor velocidad.

d) Cambio del disolvente CH3OH por dimetilsulfóxido (DMSO): aumenta la velocidad (cambio a un

disolvente polar aprótico). La velocidad de reacción aumentará puesto que el DMSO es un

disolvente aprótico y polar y no solvata ningún anión de la reacción, solamente solvata los cationes,

aumentando así la nucleofilia del anión. En cambio, el metanol es un disolvente polar prótico, que

solvata muy bien a los aniones mediantes enlaces de hidrógeno y por tanto disminuye su nucleofilia

haciendo que sean menos reactivos.

6.- Elegir el reactivo adecuado para realizar las siguientes transformaciones e indique el tipo de

mecanismo más probable por el que transcurrirá (SN1 o SN2). Indique asimismo si la reacción es

esteroespecífica o estereoselectiva.

Es un haluro de alquilo primario. El mecanismo será SN2.

Es un haluro de alquilo terciario. El mecanismo es SN1, va vía carbocationes y por tanto, aunque se

parta del isómero R, el producto que se obtiene es racémico. El H2O actua como nucleófilo. Si

usaramos –OH, seguramente obtendríamos el producto de eliminación, no de sustitución.


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Si se obtiene un 50% de cada enantiómero la reacción no es estereoselectiva. Pero si el grupo

saliente dificulta en alguna medida, el ataque por una de las caras, podría darse más inversión que

retención y la reacción llegar a ser moderadamente estereoselectiva.

Es un haluro de alquilo secundario, podría dar SN1 o SN2, pero la reacción ha ocurrido con

inversión de la configuración, luego sigue un mecanismo SN2. El empleo de DMSO (disolvente

polar aprótico) aumenta la nucleofilia del –OH, favoreciendo la reacción. Se parte del isómero

(1S,3R) y se obtiene el isómero (1R,3R), la reacción es estereoespecífica.

El mecanismo es SN1, va vía carbocationes y por tanto, aunque se parta del isómero S,S, se

obtiene una mezcla de diastereoisómeros. Si se obtiene un 50% de cada isómero la reacción no es

estereoselectiva. Pero si el grupo saliente dificulta en alguna medida, el ataque por una de las

caras, podría darse más inversión que retención y la reacción llegar a ser moderadamente

estereoselectiva. El metanol actúa como nucleófilo. Si usaramos –OMe, seguramente obtendríamos

el producto de eliminación, no de sustitución.

7.- Indique el producto principal de cada una de las siguientes reacciones, especificando el

mecanismo que opera en cada una de ellas. Señale si alguna de ellas es estereoespecífica o

estereoselectiva:

(a) Bromuro de n-butilo + metóxido sódico en metanol → A

Se obtiene el metil butil éter. Al partir de un haluro de alquilo primario el mecanismo será SN2.

(b) Bromuro de isobutilo + metóxido sódico en metanol → B


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Aunque es un haluro de alquilo primario, al tratarse de un sustrato impedido y una base fuerte,

podría darse tanto SN2 como E2, sería mayoritario el producto de eliminación (2-metilpropeno).

(c) Bromuro de n-butilo + terc-butóxido potásico en terc-butanol → C

El terc-butóxido es una base fuerte muy impedida y por tanto, mal nucleófilo, así que en este caso

se obtendrá exclusivamente el producto de eliminación (but-1-eno).

(d) Cloruro de isopentilo + etóxido sódico/EtOH → D (ver espectro adjunto).

Es un haluro de alquilo primario con una base fuerte, poco impedida. Se obtiene el producto de

sustitución. El espectro indica claramente que es el 1-etoxi-3-metilbutano. No hay protones de

alqueno (4.5-6 ppm) típicos del producto de eliminación.

(e) Cloruro de n-pentilo + terc-butóxido de potasio/tBuOH → E. El espectro de 1H RMN del

compuesto E presenta señales entre 5-6 ppm.

El terc-butóxido es una base fuerte muy impedida y por tanto, mal nucleófilo, así que en este caso

se obtendrá exclusivamente el producto de eliminación (pent-1-eno), las señales entre 5 y 6 ppm

del espectro de 1H-RMN son características de alquenos.

Espectro de 1H RMN del compuesto D

6H

1H

3H

2H 2H

2H


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(f) (1R,3R)-1-Cloro-3-metilciclopentano + yoduro potásico en acetona → F

El I- es un buen nucleófilo y no tiene carácter básico así que el producto que se obtiene es el de

sustitución bimolecular y por tanto, ocurre con inversión de la configuración (1S,3R)-1-iodo-3-

metilciclopentano. Es una reacción estereoespecífica.

8.- Complete los siguientes esquemas (condiciones de reacción 1 y 2, productos A-C) indicando el

tipo de reacción que tiene lugar en cada caso y la estereoespecificidad o estereoselectividad si

procede:

Es un haluro de alquilo secundario y debe dar el producto de SN2, porque se observa inversión de

la configuración (reacción estereoespecífica). Para ello necesitamos un nucleófilo fuerte (si fuera

débil, seguramente seguiría un mecanismo SN1). Puede que se obtenga algo del producto de

eliminación E2.

Es un haluro de alquilo secundario (además genera un carbocatión alílico especialmente

estabilizado por resonancia) y el nucleófilo (CH3OH) es débil, por tanto debe seguir cinéticas de

primer orden SN1 y E1. El calentamiento favorece la reacción de eliminación, pero también podría

observarse algo del producto SN1.

El terc-butóxido es una base fuerte no nucleófila, así que se obtiene el producto de eliminación

bimolecular.


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El terc-butóxido es una base fuerte no nucleófila, así que se obtiene el producto de eliminación

bimolecular. De los dos alquenos posibles, en este caso se obtiene el menos sustituido (producto

Hoffman) porque la base voluminosa abstrae al protón menos impedido. Es una reacción

regioselectiva.

Es un haluro de alquilo secundario y debe dar el producto de SN2, porque se observa inversión de

la configuración (reacción estereoespecífica). Para ello necesitamos un nucleófilo fuerte, el NaCN.

Además la acetona es un disolvente polar aprótico que favorece la reacción de sustitución.

9.- Para cada uno de los siguientes pares de compuestos, prediga cuál participa más rápidamente

en una reacción SN2, justificando la respuesta:

(a) 1-clorobutano y 2-clorobutano

El 1-clorobutano es el que participa más rápidamente en una SN2, porque es un haluro de alquilo 1º

y dicha reacción es sensible al impedimento estérico al pasar por un estado de transición

pentacoordinado.

(b) 1-clorobutano y 1-yodobutano

El 1-yodobutano es el que participa más rápidamente en la reacción SN2 porque el I- es una base

más débil y mejor grupo saliente que el Cl-.

(c) 3-cloro-2,2-dimetilhexano y 4-cloro-2,2-dimetilhexano

El que participa más rápidamente en una reacción SN2 es el 4-cloro-2,2-dimetilhexano, porque el

carbono que experimenta el ataque del nucleófilo (que es el que lleva el cloro como grupo saliente),

tiene menor impedimento estérico por estar más alejado del grupo terc-butilo.


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(d) bromociclohexano y bromometilciclohexano.

El que participa más rápidamente en una reacción SN2 es el bromometilciclohexano, porque se

trata de un bromuro de alquilo 1º. El bromociclohexano es 2º.

10.- Prediga el compuesto de cada par que participe más rápidamente en una reacción de solvólisis

con etanol acuoso, justificando la respuesta:

El etanol como nucleófilo suele dar reacciones de sustitución SN1 porque es un nucleófilo débil.

(a) 3-cloropentano y cloruro de terc-butilo

El cloruro de terc-butilo es el que participa más rápidamente en una reacción de solvólisis (SN1)

porque genera el carbocatión más estable (terciario) en la etapa lenta de la reacción.

(b) clorociclohexano y yodociclohexano

El que participa más rápidamente es el yodociclohexano, porque el yoduro (I-) es mejor grupo

saliente y la salida de éste está implicada en la etapa lenta de la reacción. Ambos compuestos

generan el mismo carbocatión 2º.

(c) bromociclohexano y 3-bromociclohexeno

El que participa más rápidamente es el 3-bromociclohexeno, porque en la etapa lenta del proceso

genera un carbocatión de tipo alílico que se estabiliza por resonancia. El bromociclohexano genera

un carbocatión 2º.


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11- Indique los compuestos mayoritarios que se forman al hacer reaccionar el 1-cloropropano con

las siguientes bases: (a) metóxido sódico/metanol, (b) terc-butóxido potásico/terc-butanol, (c)

trimetilamina.

12.- Establezca un orden decreciente (desde el mejor al peor) de grupo saliente en la reacción de

CH3CH2CH2-Y con un nucleófilo, siendo Y= -I, -OH, -Cl, -NH2 y -OAc. ¿Cuál sería el orden si el

sustrato fuera (CH3)3C-Y?

Con el sustrato 3º el orden es el mismo. Cuanto más básico es un grupo, peor grupo saliente es,

los buenos grupos salientes son los que acomodan con facilidad la carga negativa.

13.- Prediga el o los productos de deshidrohalogenación que resultan cuando los halogenuros de

alquilo siguientes se calientan en KOH alcohólica. Comente la regioselectividad observada cuando

sea necesario:

El anión hidróxido actúa como base fuerte y abstrae los hidrógenos de carácter ácido.

a) En este compuesto se pueden encontrar dos tipos de hidrógeno que están en posición β con

respecto al carbono α, que es aquel que contiene al halógeno. Se da una eliminación E2,

perdiéndose con el Br alguno de los H en posición .


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El ciclohexano tiene dos conformaciones para este tipo de moléculas cis, por lo tanto podemos

decir en cuál de las conformaciones de este ciclohexano se producirá la eliminación. Esta

eliminación E2 necesita que los orbitales del bromo con los del hidrógeno del carbono beta se

encuentren en paralelo para que se pueda formar el doble enlace y, por lo tanto, realizar la

eliminación (disposición antiperiplanar).

El equilibrio conformacional en este isómero cis se indica a continuación. Los dos confórmeros A y

B son de similar estabilidad aunque la conformación de ciclohexano que es reactiva para que se dé

la E2 es la A:

Como podemos observar en la conformación A, en ambos carbonos , existe un átomo de

hidrógeno que se encuentra en anti con respecto al orbital del halógeno. Esto quiere decir que se

formarán dos tipos de productos, ya que, en ambos carbonos β tiene lugar la eliminación. Las

proporciones de uno y otro vendrán determinadas por la mayor sustitución de los alquenos. El

alqueno más estable es el más sustituido y también el que se forma más rápidamente pues en

estas reacciones el estado de transición tiene carácter de alqueno. La reacción es regioselectiva.

b) Esta molécula de configuración trans, se somete a las mismas condiciones de eliminación E2

con KOH/EtOH.

Al igual que en el caso anterior existen dos H en con respecto al halógeno. El análisis

conformacional indica en este caso que la conformación más estable es la B porque tiene los dos

sustituyentes voluminosos en ecuatorial. Aunque ésta sería la conformación más estable, no se

puede dar ninguna eliminación porque no hay ningún átomo de H en los carbonos β que se

encuentre en disposición anti con respecto al Br.


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La conformación reactiva es la A, eliminándose solamente el H en posición antiperiplanar con el Br.

Al consumirse A, el equilibrio se va desplazando hacia la izquierda.

Por lo tanto, en esta molécula sólo se puede dar una eliminación E2 a través de la conformación

menos estable, obteniéndose el alqueno menos sustituido (menos estable).

c)

En esta nueva molécula, podemos saber que al actuar con una base como KOH/EtOH se producirá

de nuevo una eliminación E2 del halógeno y de un hidrógeno en con respecto al halógeno para la

formación de un doble enlace formando un alqueno.

Para que se produzca la eliminación es necesario que el orbital del Cl esté en paralelo con el orbital

del átomo de H que se va a eliminar (ambos núcleos deben estar en disposición antiperiplanar). En

la siguiente figura se muestra la estructura en la que hemos diferenciado los dos tipos de hidrogeno

que podrían ser eliminados:


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Se dará la eliminación del H que se encuentre en disposición anti con respecto al halógeno. Según

se observa en el esquema, la eliminación del H recuadrado en azul daría lugar al alqueno cis y la

eliminación del H recuadrado en naranja daría lugar al isómero trans. Observando las

correspondientes proyecciones de Newman, se observa que la conformación que conduce al

isómero trans es más estable porque posee menor impedimento estérico. Además, el alqueno trans

es más estable que el cis y se formará más rápidamente porque el correspondiente estado de

transición (que en la E2 tiene carácter de alqueno) es de menor energía.

14.- El bromuro de mentilo A reacciona con NaOEt/EtOH, obteniéndose un único producto de

eliminación C. Sin embargo, el bromuro de neomentilo B, en las mismas condiciones genera

además de C, otro compuesto isómero D. a) Dibujar los dos confórmeros silla de A y de B y

representar el mecanismo E2 en los que corresponda. b) Dibujar las estructuras de C y D. c) Si se

hace reaccionar B con tBuOK/tBuOH en lugar de NaOEt/EtOH, uno de los productos C o D

aumenta su proporción. Indicar cuál. d) Comente la regioselectividad de la reacción.

En el compuesto A, la conformación más estable es la II, que tiene todos los sutituyentes en

disposición ecuatorial. Pero la eliminación debe darse sobre la conformación I, porque el Br debe

estar en disposición antiperiplanar con un H. Además, se originará un único producto porque solo

hay un H en anti con el Br.

En cambio, en el compuesto B, la conformación que puede dar lugar a eliminación es la II, pero

además, como el Br tiene dos H en anti, hay dos posibles productos. Normalmente el producto

mayoritario es el más sustituido (alqueno más estable), producto Saytzeff. La reacción es

regioselectiva.


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Cuando la base es más voluminosa, ataca al H que está menos impedido y generalmente se forma

el alqueno menos sustituido (alqueno Hofmann). Por tanto, aumenta la proporción del compuesto

C.

15.- Elija el producto de partida (A-J) y las condiciones de reacción más adecuadas para la

obtención de los siguientes compuestos (1-5).


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El producto de partida es el B, pero como se obtiene el alqueno menos sustituido, es necesario

emplear una base voluminosa, en caso contrario se obtendría el alqueno más sustituido.

Para obtener el producto 2 debemos emplear condiciones de eliminación unimolecular, es decir una

base débil (MeOH). Se generaría el carbocatión y eliminaría para dar mayoritariamente el alqueno

más sustituido. Para favorecer la eliminación E1 frente a la sustitución SN1, la reacción debe

llevarse a cabo a alta temperatura. Las condiciones de eliminación E2 no podrían dar este

compuesto porque el grupo saliente (I) no tiene H en anti en la posición requerida.

Condiciones eliminación E2. Si el mecanismo fuera E1 se generaría el alqueno más sustituido.


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El diastereoisómero H daría lugar al alqueno E.

Necesitamos partir del compuesto E y emplear una base voluminosa para que abstraiga el protón

de la posición menos impedida y genere el alqueno menos sustituido. El compuesto J daría como

producto mayoritario el que tiene los dobles enlaces conjugados, más estable.

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